Capítulo XXVI

LA FAMILIA DEL ALUMINIO

La familia. El elemento aluminio es el miembro más abundante del grupo de elementos conocido como la familia del aluminio; de hecho, los otros miembros de la familia—galio, indio y talio—son tan poco comunes que no es necesario describirlos por separado. Los elementos de esta familia son normalmente trivalentes, por lo que las fórmulas de sus compuestos difieren de las de los elementos estudiados hasta ahora. Sus hidróxidos son prácticamente insolubles en agua y son bases muy débiles; en realidad, las bases son tan débiles que sus sales suelen hidrolizarse en solución, liberando base y ácido libres. Las sales formadas a partir de estas bases suelen contener agua de cristalización, la cual no puede eliminarse sin descomponerlas en mayor o menor medida.

A los metales trivalentes, que además del aluminio incluyen también al hierro y al cromo, a veces se les llama metales terrosos. El nombre hace referencia al aspecto terroso de los óxidos de estos metales y al hecho de que muchas tierras, suelos y rocas están compuestos en parte por estas sustancias.

ALUMINIO

Ocurrencia. El aluminio nunca se encuentra en estado libre en la naturaleza, debido a su gran afinidad por el oxígeno. En forma combinada, como óxidos, silicatos y algunas otras sales, es tanto abundante como ampliamente distribuido, siendo un componente esencial de todos los suelos y de la mayoría de las rocas, excepto la caliza y la arenisca. La criolita (Na{3}AlF{6}), que se encuentra en Groenlandia, y la bauxita, que es un hidróxido de aluminio usualmente mezclado con algo de hidróxido de hierro, son minerales importantes. Se estima que el aluminio compone aproximadamente el 8% de la corteza terrestre. En la industria, el metal se llama aluminio, pero su nombre químico es aluminio.

Preparación. El aluminio fue preparado por primera vez por Woehler, en 1827, calentando cloruro de aluminio anhidro con potasio:

AlCl{3} + 3K = 3KCl + Al.

Este método se intentó después de descubrir que era imposible reducir el óxido de aluminio con carbono. El metal poseía propiedades tan interesantes y prometía ser tan útil que se hicieron muchos esfuerzos para idear un método económico para prepararlo. El método que ha resultado más exitoso consiste en la electrólisis del óxido disuelto en criolita fundida.

Metalurgia. Una caja de hierro A (Fig. 82) de unos dos metros y medio de largo por casi dos metros de ancho se conecta a un generador potente de tal manera que sirve como cátodo sobre el cual se deposita el aluminio. Tres o cuatro filas de varillas de carbono B se introducen en la caja y sirven como ánodos. La caja se llena parcialmente con criolita y se enciende la corriente, generando suficiente calor para fundir la criolita. Luego se añade óxido de aluminio, y bajo la influencia de la corriente eléctrica se descompone en aluminio y oxígeno. La temperatura se mantiene por encima del punto de fusión del aluminio, y el metal líquido, al ser más pesado que la criolita, se hunde hasta el fondo del recipiente, de donde se extrae periódicamente por el orificio de salida C. El oxígeno en parte escapa como gas y en parte se combina con el carbono del ánodo, produciéndose una combustión muy brillante. El proceso se lleva a cabo en las Cataratas del Niágara.

El mayor gasto en el proceso, aparte del costo de la energía eléctrica, es la preparación del óxido de aluminio libre de otros óxidos, ya que la mayor parte del óxido que se encuentra en la naturaleza es demasiado impura para utilizarse sin refinar. La bauxita es el principal mineral usado como fuente de aluminio porque se convierte en óxido puro sin gran dificultad. Dado que la arcilla común es un silicato de aluminio y es abundante en todas partes, podría pensarse que se utilizaría en la preparación de aluminio. Sin embargo, es muy difícil extraer el aluminio de un silicato, y no se ha encontrado ningún método práctico que lo logre.

Propiedades físicas. El aluminio es un metal blanco-plateado que funde a 640 grados y es muy ligero, con una densidad de 2.68. Es rígido y fuerte, y con recocido frecuente puede laminarse hasta obtener una hoja muy delgada. Es buen conductor de calor y electricidad, aunque no tanto como el cobre para una misma sección transversal de alambre.

Propiedades químicas. El aluminio no es atacado perceptiblemente por el agua hirviendo, y el aire húmedo solo opaca su brillo. En ambos casos, la formación de una película extremadamente delgada de óxido sobre la superficie del metal impide una acción posterior. Se combina directamente con el cloro, y cuando se calienta en oxígeno arde con gran energía y liberación de mucho calor. Por lo tanto, es un buen agente reductor. El ácido clorhídrico actúa sobre él, formando cloruro de aluminio: el ácido nítrico y el ácido sulfúrico diluido casi no tienen efecto sobre él, pero el ácido sulfúrico concentrado y caliente actúa sobre él de la misma manera que sobre el cobre:

2Al + 6H{2}SO{4} = Al{2}(SO{4}){3} + 6H{2}O + 3SO{2}.

Los álcalis atacan fácilmente el metal, liberando hidrógeno, como en el caso del zinc:

Al + 3KOH = Al(OK){3} + 3H.

Las soluciones salinas, como el agua de mar, corroen el metal rápidamente. Se alea fácilmente con otros metales.

Usos del aluminio. Estas propiedades sugieren muchos usos para el metal. Su ligereza, resistencia y durabilidad lo hacen muy adecuado para muchos propósitos de construcción. Estas mismas propiedades han llevado a su uso extensivo en la fabricación de utensilios de cocina. Sin embargo, el hecho de que se corroe fácilmente con soluciones salinas es una desventaja. Debido a su baja resistencia a las corrientes eléctricas, está reemplazando al cobre en cierta medida en la construcción eléctrica, especialmente para cables de trolebús y de energía. Algunas de sus aleaciones tienen propiedades muy valiosas, y una parte considerable del aluminio fabricado se utiliza con este propósito. El bronce de aluminio, que consiste en aproximadamente 90% de cobre y 10% de aluminio, tiene un color dorado puro, es fuerte y maleable, se funde fácilmente y es permanente al aire. También se produce una cantidad considerable de acero de aluminio.

Proceso de reducción Goldschmidt. El aluminio se emplea con frecuencia como un agente reductor muy potente, ya que muchos óxidos metálicos que resisten la reducción por carbono son fácilmente reducidos por él. El aluminio en forma de polvo fino se mezcla con el óxido metálico, junto con alguna sustancia como fluorita para actuar como fundente. La mezcla se enciende, y el aluminio se une con el oxígeno del óxido metálico, liberando el metal. Este se recoge en estado fundido bajo el fundente.

En esta reacción se libera una enorme cantidad de calor, y se puede alcanzar una temperatura de hasta 3500 grados. El calor de la reacción se aprovecha en la soldadura de rieles de tren, piezas de acero y en operaciones similares donde se requiere un calor local intenso. Una mezcla de aluminio con varios óxidos metálicos, preparada especialmente para estos fines, se vende bajo el nombre de termita.

Preparación de cromo por el método Goldschmidt. Se coloca una mezcla de óxido de cromo y polvo de aluminio en un crisol de Hess (A, Fig. 83), y sobre ella se coloca un pequeño montón B de una mezcla de peróxido de sodio y aluminio, en el que se inserta una tira de magnesio C. Alrededor del peróxido de sodio se coloca fluorita en polvo D, después de lo cual el crisol se coloca sobre una bandeja de arena y se enciende la tira de magnesio. Cuando la llama alcanza la mezcla de peróxido de sodio, la combustión del aluminio comienza con una violencia casi explosiva, por lo que se debe tener mucho cuidado en el experimento. El calor de esta combustión inicia la reacción en la mezcla de óxido de cromo, y el óxido se reduce a cromo metálico. Cuando el crisol se ha enfriado, se encontrará un botón de cromo en el fondo.

Óxido de aluminio (Al{2}O{3}). Esta sustancia se presenta en varias formas en la naturaleza. Los cristales relativamente puros se llaman corindón, mientras que el esmeril es una variedad de color gris oscuro o negro, generalmente con compuestos de hierro. En cristales transparentes, teñidos de diferentes colores por trazas de impurezas, forma piedras preciosas como el zafiro, el rubí oriental, el topacio y la amatista. Todas estas variedades son muy duras, casi tanto como el diamante en este aspecto. El óxido de aluminio químicamente puro puede obtenerse calcinando el hidróxido, cuando se forma un polvo blanco amorfo:

2Al(OH){3} = Al{2}O{3} + 3H{2}O.

Las variedades naturales, corindón y esmeril, se usan para cortar y pulir; las formas más puras, junto con el óxido preparado artificialmente, se emplean en gran medida en la preparación de aluminio.

Hidróxido de aluminio (Al(OH){3}). El hidróxido se encuentra en la naturaleza como el mineral hidrargilita, y en una forma parcialmente deshidratada llamada bauxita. Puede prepararse añadiendo hidróxido de amonio a cualquier sal soluble de aluminio, formándose un precipitado semitransparente que es insoluble en agua pero muy difícil de filtrar. Se disuelve en la mayoría de los ácidos para formar sales solubles, y en las bases fuertes para formar aluminatos, como se indica en las ecuaciones

Al(OH){3} + 3HCl = AlCl{3} + 3H{2}O, Al(OH){3} + 3NaOH = Al(ONa){3} + 3H{2}O.

Puede actuar, por lo tanto, ya sea como una base débil o como un ácido débil, dependiendo su acción del carácter de las sustancias con las que esté en contacto. Cuando se calienta suavemente, el hidróxido pierde parte de su hidrógeno y oxígeno según la ecuación

Al(OH){3} = AlO.OH + H{2}O.

Esta sustancia, cuya fórmula a menudo se escribe como HAlO{2}, es un ácido más pronunciado que el hidróxido, y sus sales se forman frecuentemente cuando los compuestos de aluminio se funden con álcalis. La sal de magnesio Mg(AlO{2}){2} se llama espinela, y muchas otras de sus sales, llamadas aluminatos, se encuentran en la naturaleza.

Cuando se calienta fuertemente, el hidróxido se transforma en óxido, el cual no volverá a absorber agua al ser humedecido.

~ Mordientes y tintorería. ~ El hidróxido de aluminio tiene la peculiar propiedad de combinarse con muchos materiales colorantes solubles y formar productos insolubles con ellos. Por esta razón, a menudo se utiliza como filtro para eliminar colores indeseables del agua. Esta propiedad también conduce a su amplio uso en la industria de los tintes. Muchos tintes no se adhieren a fibras naturales como el algodón y la lana, es decir, no "teñen de forma permanente". Sin embargo, si la tela que se va a teñir se empapa en una solución de compuestos de aluminio y luego se trata con amoníaco, las sales de aluminio que han penetrado en la fibra se convierten en hidróxido, que al ser insoluble permanece en su interior. Si la fibra se sumerge ahora en una solución del tinte, el hidróxido de aluminio se combina con el material colorante y lo fija sobre la fibra. Una sustancia que cumple esta función se llama mordiente, y las sales de aluminio, en particular el acetato, se usan de esta manera.

~ Cloruro de aluminio ~ (AlCl{3}.6 H{2}O). Esta sustancia se prepara disolviendo el hidróxido en ácido clorhídrico y evaporando hasta la cristalización. Cuando se calienta, se convierte en óxido, asemejándose al magnesio en este aspecto:

2(AlCl{3}.6 H{2}O) = Al{2}O{3} + 6HCl + 9H{2}O.

El cloruro anhidro, que tiene algunos usos importantes, se obtiene calentando virutas de aluminio en una corriente de cloro.

~ Alumbres. ~ El sulfato de aluminio puede prepararse mediante la acción del ácido sulfúrico sobre el hidróxido de aluminio. Tiene la propiedad de combinarse con los sulfatos de los metales alcalinos para formar compuestos llamados alumbres. Así, con sulfato de potasio, la reacción se expresa mediante la ecuación

K{2}SO{4} + Al{2}(SO{4}){3} + 24H{2}O = 2(KAl(SO{4}){2}.12H{2}O).

En condiciones similares, el sulfato de amonio produce alumbre de amonio:

(NH{4}){2}SO{4} + Al{2}(SO{4}){3} + 24H{2}O = 2(NH{4}Al(SO{4}){2}.12H{2}O).

Otros sulfatos trivalentes además del sulfato de aluminio pueden formar compuestos similares con los sulfatos alcalinos, y estos compuestos también se llaman alumbres, aunque no contienen aluminio. Todos cristalizan en octaedros y contienen doce moléculas de agua de cristalización. Los alumbres que se preparan con mayor frecuencia son los siguientes:

Alumbre potásico KAl(SO{4}){2}.12H{2}O. Alumbre amónico NH{4}Al(SO{4}){2}.12H{2}O. Alumbre de hierro amónico NH{4}Fe(SO{4}){2}.12H{2}O. Alumbre de cromo potásico KCr(SO{4}){2}.12H{2}O.

Por lo tanto, un alumbre puede considerarse como un compuesto derivado de dos moléculas de ácido sulfúrico, en el que un átomo de hidrógeno ha sido desplazado por el átomo monovalente alcalino, y los otros tres átomos de hidrógeno por un átomo de uno de los metales trivalentes, como aluminio, hierro o cromo.

Se pueden preparar cristales muy grandes y bien formados de un alumbre suspendiendo un pequeño cristal mediante un hilo en una solución saturada del alumbre, como se muestra en la Fig. 84. El pequeño cristal crece lentamente y adquiere una forma muy perfecta.

~ Otras sales de aluminio. ~ Si bien el hidróxido de aluminio forma sales bastante estables con ácidos fuertes, es una base tan débil que sus sales con ácidos débiles se hidrolizan fácilmente. Así, cuando una sal de aluminio y un carbonato soluble se ponen en contacto en solución, cabría esperar que se precipitara carbonato de aluminio según la ecuación

3Na{2}CO{3} + 2AlCl{3} = Al{2}(CO{3}){3} + 6NaCl.

Pero si se forma, comienza a hidrolizarse instantáneamente, siendo los productos de la hidrólisis hidróxido de aluminio y ácido carbónico,

Al{2}(CO{3}){3} + 6H{2}O = 2Al(OH){3} + 3H{2}CO{3}.

De manera similar, un sulfuro soluble, en lugar de precipitar sulfuro de aluminio (Al{2}S{3}), precipita hidróxido de aluminio; ya que el ácido sulfhídrico es un ácido tan débil que el sulfuro de aluminio formado al principio se hidroliza de inmediato, formando hidróxido de aluminio y ácido sulfhídrico:

3Na{2}S + 2AlCl{3} + 6H{2}O = 2Al(OH){3} + 6NaCl + 3H{2}S.

~ Polvos de hornear con alumbre. ~ Es debido a la hidrólisis del carbonato de aluminio que el alumbre se usa como componente de algunos polvos de hornear. Los polvos de hornear con alumbre consisten en una mezcla de alumbre y bicarbonato de sodio. Cuando se añade agua, los dos compuestos reaccionan entre sí, formando carbonato de aluminio, que se hidroliza en hidróxido de aluminio y ácido carbónico. El dióxido de carbono de este último escapa a través de la masa y, al hacerlo, la vuelve porosa, que es el objetivo buscado en el uso de un polvo de hornear.

~ Silicatos de aluminio. ~ Uno de los constituyentes más comunes de las rocas es el feldespato (KAlSi{3}O{8}), una sal mixta de potasio y aluminio con el ácido polisilícico (H{4}Si{3}O{8}). Bajo la influencia de la humedad, el dióxido de carbono y los cambios de temperatura, esta sustancia se descompone constantemente en compuestos solubles de potasio y silicato de aluminio hidratado. Este compuesto tiene la fórmula Al{2}Si{2}O{7}.2H{2}O. En estado relativamente puro se llama caolín; en estado impuro, mezclado con arena y otras sustancias, forma la arcilla común. La mica es otro mineral muy abundante, de composición variable, pero esencialmente con la fórmula KAlSiO{4}. La serpentina, el talco, el asbesto y la espuma de mar son importantes silicatos complejos de aluminio y magnesio, y el granito es una mezcla mecánica de cuarzo, feldespato y mica.

~ Industrias cerámicas. ~ Muchos artículos de gran importancia práctica, que van desde los ladrillos y tejas más toscos hasta la porcelana y la loza más fina, se fabrican a partir de alguna forma de caolín o arcilla. No puede hacerse una clasificación muy precisa de tales productos, ya que varían mucho en sus propiedades, dependiendo de los materiales utilizados y del tratamiento durante la fabricación.

La porcelana se fabrica a partir del caolín más puro, al que se debe añadir algo de caolín menos puro y plástico, ya que la sustancia pura no es lo suficientemente plástica. También se añade alguna sustancia más fusible, como feldespato, yeso o cal, junto con algo de cuarzo puro. Los componentes deben ser molidos muy finamente, y cuando están bien mezclados y humedecidos deben formar una masa plástica que pueda moldearse en la forma deseada. El artículo moldeado con estos materiales se cuece después. En este proceso, el artículo se calienta lentamente hasta un punto en que comienza a ablandarse y casi a fundirse, y luego se deja enfriar lentamente. En esta etapa, un recipiente muy delgado será translúcido y tendrá una fractura casi vítrea; si, sin embargo, es algo más grueso o no se ha calentado tanto, seguirá siendo poroso, y en parte por esta razón y en parte para mejorar su apariencia, suele ser vidriado.

El vidriado se logra extendiendo sobre el objeto una capa delgada de una mezcla más fusible de los mismos materiales que componen el cuerpo del objeto, y volviendo a calentar hasta que el vidriado se funda en un recubrimiento vítreo transparente sobre la superficie del recipiente. En algunos casos, pueden usarse como vidriado mezclas fusibles de composición bastante diferente a la empleada en la fabricación del recipiente. Los óxidos de plomo, zinc y bario se utilizan a menudo de esta manera.

Cuando se utilizan materiales menos seleccionados o se fabrican recipientes bastante gruesos, se producen diversos grados de gres. Los grados inferiores se vidrian arrojando una cantidad de sal común en el horno hacia el final de la primera cocción. En forma de vapor, la sal ataca la superficie de la loza cocida y forma sobre ella un silicato de sodio fácilmente fusible, que constituye un vidriado.

Los ladrillos vitrificados, hechos de arcilla o esquisto molido, se cuecen hasta que los materiales comienzan a fundirse superficialmente, formando su propio vidriado. Otras formas de ladrillos y tejas no se vidrian en absoluto, sino que se dejan porosas. El color rojo del ladrillo y la loza ordinarios se debe a un óxido de hierro formado durante la cocción.

Las decoraciones sobre la loza a veces se pintan sobre la pieza cocida y luego se vidrian, y otras veces se pintan sobre el vidriado y se fijan mediante una tercera cocción. Debe tenerse cuidado de usar pigmentos que no sean afectados por el calor intenso y que no reaccionen químicamente con los componentes de la loza cocida o del vidriado.

EJERCICIOS

1. ¿Qué metales y compuestos estudiados se preparan por electrólisis?

2. Escribe la ecuación para la reacción entre aluminio y ácido clorhídrico; entre aluminio y ácido sulfúrico (en dos etapas).

3. ¿Qué hidróxidos, además del hidróxido de aluminio, presentan propiedades tanto ácidas como básicas?

4. Escribe las ecuaciones que muestran los métodos utilizados para preparar hidróxido y sulfato de aluminio.

5. Escribe la fórmula general de un alumbre, representando un átomo de un metal alcalino por X y un átomo de un metal trivalente por Y.

6. ¿Qué significa el término ácido polisilícico, tal como se utiliza en la discusión sobre los silicatos de aluminio?

7. Compara las propiedades de los hidróxidos de los diferentes grupos de metales estudiados hasta ahora.

8. ¿En qué aspectos difiere el óxido de aluminio del óxido de calcio en cuanto a sus propiedades?

9. Suponiendo que la bauxita contiene un 90% de hidróxido de aluminio, ¿qué cantidad de ella se necesita para preparar 100 kg de aluminio?